基于观测器方法的切换系统故障诊断及容错控制技术研究

Switched system has a widely range of practical application background in chemical engineering systems, electrical power systems and astronautic and aeronautic fields etc. The uncertainties, multiple disturbances, stochastic and finite-frequency faults happened in the systems process may effect the rapidity and accuracy, missing detection and false alarm; hence the fault diagnosis output can not always indicate the true operating modes of the system. And thus, the design of fault tolerant controller becomes more difficult, and conventional control method does not work any more. In our project, based on advanced observer techniques, we aim to study the methods of fault diagnosis for the cases of actuator faults, sensor faults and compound faults for discrete/continuous/singular/nonlinear switched systems. Based on the fault estimation, we will design the active tolerant controller to compensate and reject the faults and disturbances to guarantee the stability of the closed-loop system. All the obtained theoretical results will be illustrated by numerical or practical examples. This project aims to improve and develop the fault diagnosis and tolerant control methods for switched system, further improve the active fault tolerant control theory for the switched system, and provide new theoretical support to its application in practical engineering fields.

切换系统模型在化工系统、电力系统和航空航天等领域均有着广泛的应用背景。系统的不确定性、外部的多源扰动、故障的随机性以及特定频域故障等情形会影响故障诊断的快速性和准确性，甚至会产生误报和漏报，导致故障诊断单元的输出不能准确描述系统的当前运行状态，从而加大容错控制器设计的困难性,而且利用传统的控制方法难以实现满意的控制性能。本项目拟针对离散/连续/广义/非线性切换系统模型，提出基于高级观测器方法的执行器故障、传感器故障和复合故障的鲁棒故障诊断算法。在故障诊断的基础上，进一步设计对故障和干扰可补偿和抑制的主动容错控制器保证闭环系统的稳定性。本项目所得理论成果将通过数值算例或应用实例进行检验分析和验证。本项目旨在改进和发展切换系统的故障诊断及容错控制理论方法，完善切换系统的主动容错控制理论体系，并为其在实际工程中的应用提供理论支持。

切换系统是由若干个连续/离散的子系统和一个切换信号构成的混合系统，在电力系统、化工系统和交通控制系统等领域有着广泛的应用背景。故障信号是保障动态系统稳定运行过程中不可忽视的重要因素，被控对象一旦发生故障将会导致系统不稳定甚至灾难性后果。本项目围绕若干类带有执行器/传感器/系统故障的连续/离散切换系统，研究了基于各类高级观测器方法的切换系统故障诊断及容错控制等问题，获得了一系列创新性成果。. 本项目的主要内容和重要结果归纳如下：(1)分别研究了有限频域、非线性和输出干扰情形的切换系统执行器故障/复合故障的故障检测滤波器设计问题，应用Lyapunov稳定性理论和LMI技术，结合受限切换信号方法，获得了切换系统执行器故障/复合故障检测观测器设计的充分条件和多目标故障检测目标。(2)基于比例积分观测器、自适应观测器、降价观测器和区间观测器，应用Lyapunov稳定性理论和LMI技术，结合平均驻留时间方法，分别研究了离散/连续切换系统的故障估计问题，并基于信号补偿原理设计反馈控制器，实现了闭环系统的稳定。(3)基于自适应和未知输入观测器，应用Lyapunov稳定性理论和LMI技术，引入新的切换信号机制，分别研究了异步和非线性连续切换系统的复合故障估计，并基于信号补偿原理设计反馈控制器，提出了新的故障估计分析和容错控制器设计方法。. 在本项目的支持下，出版英文专著1部，发表论文20篇，其中SCI收录论文13篇，EI收录论文5篇，授权发明专利7项；培养硕士研究生7名。